DE3436228C2 - Mikrostreifenleiter-Antennenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikrostreifenleiter-Antennenanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei bekannten Antennenanordnungen dieser Art (GB 20 67 842 A und James, J. R. et al. "Microstrip antenna, theory and design", Peter Peregrinus Ltd., 1981, S. 67 bis 110 und 256 bis 282) sind das gespeiste und das parasitäre Antennenelement kapazitiv gekoppelt. Die Anordnung arbeitet auf nur einer Frequenz. Mikrostreifen- Antennenanordnungen, die simultan auf zwei Frequenzen arbeiten, wurden bisher nur dadurch realisiert, daß zwei Dielektrikum-Lagen und außer der Basisschicht zwei Metallbeläge in geschichtetem Aufbau vorgesehen wurden.

Es ist auch bekannt, mehrere Antennenelemente galvanisch zu einer Reihenanordnung zu verbinden (DE 27 12 608 A1). Dabei haben die Elemente gleiche Resonanzfrequenz. Durch die Serienspeisung ergibt sich eine Phasenverschiebung zwischen den Resonanzfrequenzen.

Ausgehend von dem gattungsgemäßen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese Antennenanordnung so auszuführen, daß sich zwei verschiedene Resonanzfrequenzen ergeben.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Überraschenderweise hat sich ergeben, daß durch die galvanische Verbindung des gespeisten Antennenelementes und des parasitären Antennenelementes zwei verschiedene Resonanzfrequenzen erhalten werden, so daß die Antennenanordnung simultan auf zwei verschiedenen Frequenzen arbeitet. Die Kurzschlußverbindung zwischen der Basisschicht und dem einen Rand des gespeisten Antennenelementes ergibt, wie bei derartigen Antennenanordnungen an sich bekannt, eine Verkürzung der einen Dimension dieses Antennenelementes auf ein Viertel der Wellenlänge. Die Einspeisung über eine Koaxialleitung entsprechend den Merkmalen des Oberbegriffes ermöglicht eine gute Impedanzanpassung bei geringem Platzbedarf.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Mikrostreifen-Antennenanordnung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Mikrostreifen-Antennenanordnung in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Antennenelement der Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 1 und Fig. 4,

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform der Mikrostreifen- Antennenanordnung in perspektivischer Darstellung,

Fig. 5 eine Draufsicht auf das Antennenelement der Anordnung nach Fig. 4.

Auf die Unterseite einer das Dielektrikum bildenden Platte D ist eine metallische Basisschicht PM aufgebracht, welche das Antennengegengewicht bildet und die gesamte untere Fläche der Platte D abdeckt.

Auf der Oberseite der Dielektrikum-Platte D ist ein Metallbelag bestimmter Konfiguration aufgebracht. Die Einheit kann nach Art einer gedruckten Schaltung, beispielsweise im Siebdruck, gefertigt werden, aber auch in einer beliebigen anderen Technik, wie sie zur Herstellung von Zweipol-Schaltungen bekannt sind.

In den Fig. 1 bis 3 ist eine Ausführungsform der Antennenanordnung dargestellt, wobei Fig. 1 die gesamte Anordnung perspektivisch zeigt, während in der Draufsicht nach Fig. 2 das Dielektrikum und die Basisschicht weggelassen sind. Bei dieser Ausführungsform ist der obere Metallbelag P10 mit der Basisschicht PM an einem Rand - in Fig. 1 links - durch eine geradlinige Reihe von Kurzschlüssen CC verbunden. In der Basisschicht PM ist eine Öffnung vorgesehen, an die eine das Dielektrikum durchsetzende Bohrung anschließt. Mit der Basisschicht ist am Rand der Öffnung der Außenmantel CB einer Koaxialleitung, z. B. durch Löten, elektrisch leitend verbunden (Fig. 3). Der Innenleiter CA der Koaxialleitung ist berührungsfrei durch die Öffnung der Basisschicht und außerdem durch die Bohrung im Dielektrikum geführt und in einem bestimmten Punkt an den oberen Metallbelag P10 angeschlossen, wofür ebenfalls eine Lötverbindung gewählt werden kann.

Eine Mikrostreifen-Antennenanordnung, deren oberer Belag mit Ausnahme eines als Speiseleitung dienenden seitlichen Leiters ausschließlich rechteckigen Umriß hat, arbeitet nur auf einer Frequenz.

Es hat sich überraschend herausgestellt, daß eine solche Antennenanordnung auf zwei Frequenzen als Sende- oder Empfangsantenne arbeitet, wenn der obere Belag durch ein mit ihm elektrisch verbundenes Antennenelement ergänzt wird, das auch als parasitäre Impedanz aufgefaßt werden kann. Im Ausführungsbeispiel ist als solches parasitäres Antennenelement ein Metallbelag P11 vorgesehen, der mit dem an die Leitung CA, CB angeschlossenen Metallbelag P10 durch einen stegförmigen Leiter L11 verbunden ist, wobei die beiden Metallbeläge P10 und P11 und der Verbindungsleiter L11 monolithisch ausgebildet sind.

Wie die Zeichnungen zeigen, hat das parasitäre Antennenelement P11 eine Länge, die gleich der Länge der ihm benachbarten Kante des Haupt-Metallbelages P10 ist. Die in Richtung der Kurzschlußreihe CC gemessene Breite des parasitären Antennenelementes P11 stimmt genau mit der Länge des Steges L11 überein, so daß das Element P11 und der Freiraum zwischen ihm und dem Hauptbelag P10 genau gleiche Breite haben. Die Breite des Verbindungssteges L11 liegt in der Größenordnung von einem Fünftel der Breite des Hauptbelages P10, senkrecht zur Verbindungsgeraden der Kurzschlüsse CC gemessen.

Die Tatsache, daß diese Antennenanordnung auf zwei Frequenzen arbeitet, kann physikalisch noch nicht genau erklärt werden. Anscheinend wird die eine der beiden Frequenzen dadurch erhalten, daß sich der Haupt- Metallbelag P10 bei dieser Frequenz so verhält, als wäre er allein vorhanden, während die andere Frequenz etwa derjenigen entspricht, die sich bei einem größeren Metallbelag ergeben würde, der durch den Gesamtumriß beider Metallbeläge P10 und P11 einschließlich des zwischen ihnen vorhandenen Abstandes definiert ist; das Antennenelement verhält sich also bei der zweiten Frequenz so, als sei der freie Raum zwischen den beiden Metallbelägen P10 und P11 durch eine ergänzende Metallschicht ausgefüllt.

Danach können die beiden Arbeitsfrequenzen der Antennenanordnung nach Fig. 1 zumindest angenähert wie folgt vorausbestimmt werden: Ausgehend von einem Metallbelag, der nach seiner Gesamtfläche der Zusammenfassung von P10 und P11 entspricht und die niedrigere Frequenz ergibt, ist eine doppelte Aussparung vorzusehen, wodurch der Verbindungssteg L11 und das parasitäre Element P11 definiert sind, wobei die Breitenabmessungen der Aussparung und des parasitären Elementes P11 genau gleich sind; danach werden die genauen Maße der Antennenanordnung experimentell so dimensioniert, daß die gewünschte zweite Resonanzfrequenz erhalten wird.

In weiterer Anwendung dieser Theorie wird der am Haupt-Metallbelag P10 vorzusehende Anschluß für den Innenleiter CA der Koaxialleitung so festgelegt, daß er sich in der Achse III-III befindet, die etwa mittig zwischen der äußeren, vom Belag P11 abgewandten Schmalkante des Belages P10 und der zu ihr parallelen Außenkante des Belages P11 verläuft, also nach Fig. 1 der Längenhalbierenden des vom Gesamtumriß beider Beläge P10 und P11 definierten Rechtecks entspricht.

In der anderen Richtung gemessen ist der Anschlußpunkt des Innenleiters CA der Koaxialleitung bei etwa einem Drittel der Breite des Metallbelages positioniert, wobei er auf der den Kurzschlüssen CC zugewandten Seite der Längsmittelebene des Metallbelages liegt (Fig. 1).

Die Kurzschlüsse können durch eine Reihe von Kontaktstiften bzw. Verbindungsstiften realisiert werden; es können beispielsweise acht Verbindungsstifte vorgesehen sein. Nach Fig. 1 schneidet die Achse III-III die Anschlußpunkte des Kabel-Innenleiters CA und einen der Verbindungsstifte, jedoch ist das nicht notwendig.

Die Fig. 4 und 5 zeigen eine zweite Ausführungsform der Antennenanordnung in vollständiger perspektivischer Darstellung bzw. Draufsicht auf das Antennenelement.

Abweichung von der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 ist hier außer dem parasitären Antennenelement P11 ein zweites parasitäres Antennenelement P12 vorhanden, das sich auf der dem Element P11 gegenüberliegenden Seite des an die Koaxialleitung angeschlossenen Metallbelages, also des gespeisten Antennenelementes P10 befindet.

Das zweite parasitäre Element P12 erstreckt sich also neben der vom Element P11 abgewandten Schmalkante des Metallbelages 10 und hat gleiche Länge wie sie. Zwischen dem Metallbelag P10 und dem zweiten parasitären Element P12 ist ebenfalls ein metallischer Verbindungssteg L12 vorhanden, der in bezug auf die genannte Länge der Schmalkante des Metallbelages 10 schmal ist.

Der Metallbelag 10 bildet mit den beiden parasitären Antennenelementen P11 und P12 sowie den Verbindungsstegen L11 und L12 eine monolithische Einheit, die in bezug auf die zur Kurzschlußreihe CC senkrechte Mittelebene S vollständig spiegelsymmetrisch gestaltet ist (Fig. 4).

Zur Dimensionierung dieser Mikrostreifenantennenanordnung ist wie vorher von der Theorie auszugehen, daß die eine der beiden Frequenzen funktionsmäßig so zum Metallbelag P10 gehört, als sei dieser Belag allein vorhanden, während die andere Frequenz der Dimensionierung eines Metallbelages entspricht, dessen rechteckiger Gesamtumriß nach der Zusammenfassung des Belages P10 und dessen beiden parasitären Antennenelementen P11 und P12 einschließlich der Zwischenräume definiert ist, die den Haupt-Metallbelag P10 von der Zusatz- Metallbelägen P11 und P12 geometrisch trennen.

Die Schnittlinie III-III in Fig. 4 verläuft schräg zur Symmetrieachse S und schneidet dabei einen der Anschlußpunkte für die Verbindungsstifte CC, so daß der Schnitt nach Fig. 3 auch für die Darstellung in Fig. 4 zutrifft, bei der die Symmetrieachse S nicht durch einen der Kurzschluß-Anschlüsse geht.

Für die praktische Realisierung der erfindungsgemäßen Antennenanordnungen kann die Dielektrikumplatte D aus Aluminiumoxid oder Duroid (Keramik) bestehen, während die elektrisch leitenden Metallbeläge aus Kupfer hergestellt sind.

Die experimentellen Untersuchungen an beiden Ausführungsformen der Antennenanordnung haben gezeigt, daß die Metallbeläge auf zwei Frequenzen arbeiten, wobei die Antennencharakteristik einen Öffnungswinkel von nahezu 180° hat, der sich innerhalb eines Kugelsektors befindet, dessen Zentrum auf der Symmetrieebene liegt, welche die Kurzschlußreihe senkrecht schneidet. Das Simultanarbeiten auf zwei Frequenzen mit schmaler Bandbreite pro Frequenz wird mit außergewöhnlich geringem Raumbedarf erreicht, verglichen mit dem üblichen Aufbau einer Antennenanordnung, bei der für Zweifrequenz-Betrieb zwei Dielektrikum-Lagen und außer der Masseschicht zwei Metallbeläge in geschichtetem Aufbau erforderlich sind.

Die Anpassung der Eingangsimpedanz ist infolge der als Koaxialleitung ausgebildeten Anschlußleitung sehr einfach, und der geringe Raumbedarf, der durch die Mikrostreifenleiter-Bauweise gegeben ist, bleibt dabei voll erhalten. Es ist weiterhin überraschend, daß die erfindungsgemäßen Antennenanordnungen in gewissem Maß eine Kreuz-Polarisation ergeben, die für bestimmte Anwendungsgebiete vorteilhaft ist, insbesondere dann, wenn mit Zirkularpolarisation gearbeitet werden soll und/oder anpaßbare Antennen zu realisieren sind.

Um eine quasi halbkugelförmige Antennencharakteristik zu erhalten, können die erfindungsgemäßen Antennenanordnungen in Vierer-Kombination zusammengestellt werden, wobei die Elemente in verschiedene Richtungen orientiert und in der ringförmigen Aufeinanderfolge jeweils um 90° gegeneinander versetzt sind. Eine solche Kombination ist mit besonderem Vorteil für anpaßbare Antennen anzuwenden. Als Dielektrikum dient in diesem Fall eine gemeinsame Dielektrikum-Platte.

Claims (12)

1. Mikrostreifenleiter-Antennenanordnung, bestehend aus mindestens einer Einheit mit einer Dielektrikumplatte (D), einer als Antennen-Gegengewicht dienenden, elektrisch leitenden Basisschicht (PM) und mindestens einem rechteckigen Antennenelement (P10), das als Metallbelag auf der der Basisschicht (PM) gegenüberliegenden Seite der Dielektrikumplatte (D) aufgebracht und über eine Koaxialleitung (CA, CB) gespeist ist, deren Außenmantel (CB) mit der Basisschicht (PM) und deren Innenleiter (CA) mit dem Antennenelement (P10) elektrisch leitend verbunden ist, dem außerdem ein parasitäres Antennenelement (P11) zugeordnet ist, das nahe benachbart zu dem gespeisten Antennenelement (P10) ebenfalls als Metallbelag auf die Dielektrikumplatte (D) aufgebracht ist und zu der ihm zugewandten Kante des gespeisten Antennenelementes (P10) parallele Kanten gleicher Länge wie diese Kante hat, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Antennenelemente (P10 und P11) durch einen - bezogen auf die Kantenlänge - schmalen Metall-Leiter (L11) elektrisch leitend verbunden sind, und daß zwischen der Basisschicht (PM) und einem Rand des gespeisten Antennenelementes (P10), der rechtwinklig zu den parallelen Kanten der beiden Antennenelemente (P10 und P11) verläuft, eine Kurzschlußverbindung vorhanden ist.

2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das parasitäre Antennenelement (P11) gleiche Breite hat wie der Zwischenraum zwischen ihm und der benachbarten Kante des gespeisten Antennenelementes (P10).

3. Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Metall- Leiters (L11) einem Fünftel der Breite des gespeisten Antennenelementes (P10) entspricht.

4. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das parasitäre Antennenelement (P11) und der Metall-Leiter (L11) ebenfalls rechteckige Grundform haben.

5. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußverbindung zwischen dem gespeisten Antennenelement (P10) und der Basisschicht (PM) durch eine Reihe von einzelnen Kurzschlüssen (CC) gebildet ist.

6. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter (CA) der Koaxialleitung eine Bohrung der Dielektrikumplatte (D) und außerdem berührungslos eine Ausnehmung der Basisschicht (PM) durchsetzt.

7. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites, gleich ausgebildetes parasitäres Antennenelement (P12) vorgesehen ist, das dem anderen parasitären Antennenelement (P11) in bezug auf das gespeiste Antennenelement (P10) gegenüberliegt.

8. Antennenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden parasitären Antennenelemente (P11 und P12) genau gleiche geometrische Konfiguration haben.

9. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlußpunkt des Innnenleiters (CA) der Koaxialleitung (CA, CB) an dem gespeisten Antennenelement (P10) mittig zwischen den einander gegenüberliegenden Außenkanten des Metallbelages liegt, der das gespeiste und das oder die parasitären Antennenelemente (P10 und P11) bildet.

10. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kurzschlußverbindung (CC) zwischen der Basisschicht (PM) und dem gespeisten rechteckigen Antennenelement (P10) an dessen längerer Seite befindet.

11. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens vier Antenneneinheiten gleicher Ausbildung zu einer Gruppe zusammengefaßt und in ringförmiger Aufeinanderfolge hinsichtlich ihrer Strahlungsrichtung jeweils um 90° gegeneinander versetzt sind.

12. Verwendung der Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Realisierung einer anpaßbaren Antenne, die auf wenigstens zwei Frequenzen jeweils mit schmaler Bandbreite arbeitet.